X射線微分相位襯度成像及CT的理論和方法研究.pdf

1、自上世紀(jì)九十年代以來(lái)，一系列X射線相位襯度成像方法相繼被提出，不同于傳統(tǒng)基于吸收襯度機(jī)制的X射線成像，這些新穎的成像方法通過(guò)檢測(cè)物體對(duì)X射線波前的調(diào)制獲得物體的內(nèi)部折射率信息。X射線波段，物體的折射率為復(fù)數(shù)形式，實(shí)部減小量（相移因子）反映相移信息，虛部（吸收因子）反映吸收信息。尤其是在硬X射線波段，軟組織的相位因子是吸收因子的成百上千倍，也就是說(shuō)相襯圖像理論上有著更高的靈敏度，因此利用相移信號(hào)成像可以獲得更高的圖像質(zhì)量。
　　經(jīng)過(guò)

2、二十年的發(fā)展，目前X射線相襯成像形成了四種主流成像裝置，包括晶體干涉儀、衍射增強(qiáng)成像、光柵相襯成像和同軸相襯成像，其中部分裝置由于成像視場(chǎng)太小，以及較高的機(jī)械穩(wěn)定性和光源相干性要求，難以向臨床推廣。近年來(lái)，基于光柵的X射線微分相襯成像引起了越來(lái)越多的關(guān)注，與其它的相襯成像方法相比，光柵相襯成像方法主要有兩大顯著優(yōu)勢(shì):較低的光源相干性要求以及較大的成像視場(chǎng)，因此被普遍認(rèn)為是極有可能應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)的成像方法。本論文從角度信號(hào)成像理論出發(fā)，討

3、論了衍射增強(qiáng)成像和光柵相襯成像的信息分離問(wèn)題;以及相位襯度和散射襯度結(jié)合計(jì)算機(jī)斷層重建（Computed Tomography, CT）的相關(guān)問(wèn)題。
　　相襯成像的投影同時(shí)包含吸收、折射和散射信號(hào)，三種信號(hào)對(duì)應(yīng)物體不同的物理特性。為了獲取這三種物體特性的定量信息，涌現(xiàn)了大量的信息分離方法。目前光柵相襯成像方法中主要有五種信息分離方法:相位步進(jìn)方法、交錯(cuò)相步進(jìn)方法、莫爾條紋分析方法、共軛射線分析方法和能量分辨方法。這些方法中，有的方

4、法產(chǎn)生的輻射劑量大、有的方法引起分辨率降低、有的方法不能提取散射信號(hào)，針對(duì)這些問(wèn)題，本論文發(fā)展了角度信號(hào)成像理論，并基于該理論提出余弦擬合方法，不僅可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)方法的效果，彌補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)大角度折射信號(hào)的低估問(wèn)題，而且建立了衍射增強(qiáng)成像和光柵相襯成像之間密切的聯(lián)系，它們本質(zhì)上都是由角度準(zhǔn)直器和分析器組成的成像裝置，探測(cè)的物理量都是樣品相位分布的一階導(dǎo)數(shù)，利用分析器的運(yùn)動(dòng)（分析晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)或分析光柵的平移）來(lái)選擇性接收入射到分析器上的光線，

5、分析晶體的運(yùn)動(dòng)所對(duì)應(yīng)的角度，等價(jià)于樣品對(duì)X射線產(chǎn)生的折射角。
　　在光柵相位CT(phase tomography)中，利用傳統(tǒng)的相位步進(jìn)方法分離信息時(shí)，光柵平移運(yùn)動(dòng)與CT旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)交替進(jìn)行，降低了成像速度，增加了樣品受輻照時(shí)間。共軛射線分析方法是本研究組在2010年提出的一種快速低劑量成像方法，它巧妙利用照明幾何中互為正反投影圖像的共軛特性（即具有相同的吸收和相反的折射角），只利用兩幅圖就可成功分離吸收和折射信息，一定程度上實(shí)現(xiàn)了

6、快速、低劑量的相位CT成像。本論文將共軛射線分析方法與CT結(jié)合，分析了相位CT重建的相位因子的信噪比和空間分辨率之間的關(guān)系，闡述了光柵相位CT成像在高分辨率成像時(shí)比吸收CT成像具有更好的抗噪聲性能。
　　在光柵相襯CT中，散射信息可以反映亞分辨率尺度上的結(jié)構(gòu)信息，提供了更加豐富的圖像細(xì)節(jié)，與物體的吸收信息和折射信息形成有效的互補(bǔ)。本文利用光柵相襯CT成像重建出物體斷層的散射信息，分析了散射體的尺寸和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能量分別對(duì)重建的散射系數(shù)